基于单片机的功率因数补偿控制器硬件的研究

蒋科芬

（西安石油大学，陕西 西安 710000）

(Aircraft Strength Research Institute，Xi’an 710065，Shaanxi)

基于单片机的功率因数补偿控制器硬件的研究

蒋科芬

（西安石油大学，陕西 西安 710000）

为了减小电网中感性负载造成的电量损耗，在分析了现有功率因数补偿控制器的补偿效果后，设计了一种通过单片机控制四组电容器组，自动控制投切进行补偿的功率因数补偿控制器。

功率因数；单片机；功率补偿

1．引言

随着近年来电力负荷的迅速增长，电网的功率因数和电压降低，使得电器设备得不到充分的利用。在电网中，无功补偿要保持平衡，否则将导致系统的电压下降，电能质量得不到保证，严重损坏了设备。为了改善用户的用电质量，发挥供电设备的效益，大大降低用电成本。陕西高科电力电子有限公司特试制了以下这种功率因数补偿控制器。

本控制器是以 C8051F系列的单片机为核心，可以自动检测出电网的功率因数值cosφ，和电气设备所需要的功率因数cosφ0进行比较，在允许的误差Δcosφ范围内自动控制投切电容器进行功率因数的补偿，使得电网的功率因数保持在最佳状态。除此之外，其满足脉冲或周期性负荷动态功率因数补偿的需要，不但系统运行参数可通过面板自带按钮来设定，而且保护功能完善，达到使用方便、现场调试工作量小、运行效果好的目的，从而提高电网电能质量和输电能力。

2．功率因数补偿控制器的技术要求

本控制器的工作电源电压：220V 50Hz，对应电网线电压输入交流电压：100V 50Hz，对应电网相电流输入交流电流：0---5A。可根据输入电压与电流计算有功、无功功率和功率因数，实时显示有功、无功功率和功率因数，根据计算结果与电容容量配备情况决定投入哪路补偿电容。按电容实际分组数通过面板触摸开关输入电容参数、功率因数上、下限、保护参数；可对电容的运行状况进行监控和报警，实时显示电容的投切情况。输出可直接带动继电器控制高压接触器对电容进行合分控制。面板仪表式结构，便于安装；输入与输出线统一置于表后盖，带与计算机的通信接口，可通过上位机进行设定与控制。有保护时一次切除所有支路电容的开关量输入口，可控制最多8路电容，分为两段控制。

3．硬件电路的工作原理

本控制器由中央处理模块、数据处理模块、逻辑控制单元、电源模块、信号采集模块、投切控制单元以及开关量输出和显示等部分组成。系统的基本框图如图1所示。

图1 硬件系统整体框图

首先将电网的电压及电流信号通过霍尔传感器进行采集，通过数据处理模块进行数模转换及功率因数的测定，再将信号送人中央处理模块将测定功率因数和系统设定的功率因数进行比较，进行电容器组的自动投切，使得功率因数达到最大值。

在信号的采集部分则用霍尔传感器代替了常用的电压、电流互感器，霍尔传感器在精度、线性度及动态性能上都远远的优于电压、电流互感器。而且其还有体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点。在市场上有各种品牌可供选择。

由于单片机采用的是TTL电平，而接RS-232通信的典型工作电平是+3V～+12V与—3V～—12V，是不能够和单片机进行连接的，否则有可能损坏单片机，因此，要实现单片机和计算机之间的RS—232通信，就必须采用相应的接口芯片[1]。 MAX232产品是由美国 Maxim公司推出的一款兼容RS—232标准的芯片。该器件包含两个驱动器，两个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA—232—F电平，该器件符合TIA/EIA—232—F标准。一片 MAX232支持两路RS—232串口同时全双工通信。单片机的信号从11、12引脚输入，转换为RS—232电平后从14、7引脚输出；RS—232电平信号从13、8引脚输入，转换后的TTL电平从12、9引脚输出。 MAX232有商业级到工业级的不同信号芯片，商业级芯片工作温度范围为0～70℃，工业级芯片的工作温度范围为40～85℃。 MAX232具有2000V的ESD保护，是一款低成本的RS—232转换芯片。同样的， MAX485接口芯片是 Maxim公司的一种RS—485芯片。而RS—485协议正是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。RS—485的数据最高传输速率为100 Mbps。而且其接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，大大增强了抗共模干扰能力。两芯片及外围电路如图2所示：

图2 RS485、RS232通信模块

现中央处理模块选用的是 C8051F系列的单片机[2]，由于其具有与8051兼容的 CIP-51微处理器内核，采用流水线结构，单周期指令运行速度是8051的12倍，全指令集运行速度是原来的9.5倍。所以其与传统的单片机相比具有一定的优势。但是由于 C8051F系列的单片机是3.3V低功耗、高速单片机，与传统的5V供电低速单片机在引脚处理以及P CB布板方面会有一定的区别，所以在实际的运用中要特别注意这一点。

在数据处理部分则采用的是一种精度高且功能强的多功能防窃电三相电能专业芯片ATT7022EU[3]，它集成了7路二阶sigma-deltaAD C，其中三路用于三相电压采样，三路用于三相电流采样，还有一路可用于零线电流或其它防窃电参数的采样，输出采用数据和有效值，使用十分方便。并且其内部集成了7路19位A/D转换器，可方便地用于其转换。ATT7022EU芯片内包含一套电源监控电路，可以连续地对模拟电源（AV C C）进行监控，当电源电压低于2.5V±5%时，芯片将被复位。这有利于电路上通电和掉电时芯片的正确启动和正常工作。电源监控电路被安排在延时和滤波环节中，这在很大程度上防止了由电源噪声引发的错误。该芯片还集成了参考电压电路以及所有包括基波和全波的各项电参数测量的数字信号处理电路，可进行有功功率、无功功率和功率因数的计量，它集合了多种功能，但是价格低廉。ATT7022EU封装为44脚LQFP形式，外围硬件电路主要包括电源、电压及电流模拟输入、脉冲输出及SPI通讯接口等电路。其芯片及外围电路如图3所示：

图3 有功无功计量模块电路图

隔离输入输出模块主要采用的是光电耦合器，其中一个重要特性是其输入端连接的电路可以和其输出端的电路完全隔开，并且在这两个电路之间可以安全地存在成百上千伏的电位差而不会对光电耦合器的工作产生不利影响，这种光电耦合器主要用于低压到高压（或反过来）信号的耦合。还可替代低功率的继电器和脉冲变压器。光电耦合器的另外一个重要的特性就是其信号的传递是单向的，输出端即使有很强的干扰和噪声，也不会影响反馈到输入端。

光电耦合器的应用主要有：电平的转换、隔离作用、运用于逻辑门电路。

4．结论

采用 C8051F系列的单片机为控制中心的智能型功率因数自动补偿控制器，实现对电力系统的电气参数的测量、运算、判断以及功率因数的自动补偿功能。用户可以通过面板上的按钮对功率因数值进行设定，而系统通过周期性地测量功率因数，有针对性地对系统的功率因数进行补偿，达到用户所需的功率因数，满足功率因数的动态需要，使系统稳定地运行。

[1]翁献进．RS232、RS422/RS485串行通信标准及其在火力发电厂热工自动化系统中的应用实践[J]．科技信息，2010，(10)．

[2]魏敏．基于C8051F040及FPGA的总线隔离器测试台[J]．计算机测量与控制，2013，(12)．

[3]杜运福．基于STM32与ATT7022E的用电智能采集模块设计[D]．苏州：苏州大学，2013．

Enhance Knowledge Management through a Unified Search Platform

Wang Xiaohong

With the development of electronic information technology,diversified knowledge platforms in enterprise have been built,including scientific and technical journals,standard libraries and digital libraries.The amount of data also varies from hundreds of thousands to millions.Users when looking for information or documents often need to switch between multiple systems. How to find a quick and effective knowledge acquisition mechanism to integrate and enhance the unity of knowledge management has become an urgent demand for many enterprises.This paper describes the enterprise information retrieval to build a unified platform,realizing multi-dimensional search on the information distributed in various application systems,to improve query efficiency and provide a strong support for the enhancement of the level of classification and management of knowledge.

unified search;knowledge management;integration;efficiency

(Aircraft Strength Research Institute，Xi’an 710065，Shaanxi)

蒋科芬，女，陕西榆林人，研究生，研究方向：特种电源及微机控制技术。